Die RS232 Schnittstelle - sokrates

Die serielle Schnittstelle
Die RS232 Schnittstelle
( Elektronikversuche mit dem Computer )
Programm
Seite
Literatur, Geräte
2
Die RS232 Schnittstelle (Theorie)
3
Ausgang schalten
Ausgang_Eingang
4
Das Programm : Ausgang_Eingang
5
Halbleiter, Diode, Transistor (Theorie)
6
Blitzlicht
Ausgang_Eingang
Die Register der RS232 (Theorie)
7
8
Assembler-Programmierung
Ausgang-mit-ASM
9
Ampelschaltung
Ampel
10
Wechsel-Blinklicht
LED-Blinklicht
11
Zeitschaltung
Zeituhr
12
Die Eingänge der RS232
13
Berührungssensor
Ausgang_Eingang
14
Lichtschranke 1, Zeitmessung
Lichtschranke
15
Lichtschranke 2, Rolltreppe
Ausgang_Eingang
16
Ladezeit für einen Kondensator
Kondensator
17
Reaktionszeit
Reaktionszeit
18
Logik NOT; UND/ NAND; OR/ NOR; EXOR
Logik
19
Gatter: NOT; UND/NAND; OR/NOR; EXOR
Ausgang_Eingang
20,21
-2-
Lit:
www/AK-modul-bus.de /ELEXS /Experimente
www/B-Kainka.de
www/hjberndt.de
Die Firma AK-modul-bus vertreibt Elektronikbauteile, Elektronikbücher und die
hier verwendeten Einbaubuchsen.
Auf der Internetseite sind viele Versuche mit der RS232 Schnittstelle
veröffentlicht, ebenso die Programme in VB und der Treiber für die RS232
Schnittstelle.
B. Kainka schrieb das Buch: Messen, Steuern, Regeln unter Windows; Franzis
Verlag. Es enthält eine CD mit Versuchen, die Programme in VB und den
Treiber RSLine32.DLL.
H.-J. Berndt stellt auf seiner Homepage viele freeware Programme und den
Treiber RS232 zur Verfügung.
Benötigte Geräte für die hier beschriebenen Versuche:
Platine mit Streifenraster, 5.08 mm Rastermaß
20 Stück vergoldete Einbaubuchsen, 2 mm
Sub-D Verlängerung 1:1, 9-pol
Sub-D Buchse, 9-pol
Das Bauteil:
Die Buchsen in die Löcher stecken und mit den Leiterbahnen verlöten. Danach
werden die Leiterbahnen zwischen den beiden Buchsenreihen unterbrochen.
-3-
Die RS232 Schnittstelle
Die Ausgänge der seriellen Schnittstelle
DTR
RTS
TXD
data terminal ready
request to send
transmit data
Endgerät bereit
Sendeteil einschalten
Sendedaten
Die Eingänge der seriellen Schnittstelle
CTS
DCD
DSR
RI
RXD (sollte man nicht
clear to send
data carrier detect
data set ready
ring indicator
receive data
Sendebereitschaft
Empfangssignalpegel
Betriebsbereitschaft
ankommender Ruf
Empfangsdaten
ground
Masse
verwenden)
GND
Jede Ausgangsleitung liefert eine Leerlaufspannung von +11,49 V und einen
maximalen Strom von 10 mA...20 mA. Eine interne Strombegrenzung
verhindert eine Überlastung auch im Kurzschlußfall.
Die meisten PCs verwenden zwei COM-Schnittstellen COM1 und COM2. Oft ist
COM1 mit der Maus belegt. Die Programme suchen die freie COM2 für die
Versuche.
-4-
Ausgang schalten
RTS
GND
Programm Ausgang-Eingang verwenden
Man verbindet eine beliebige Ausgangsleitung und GND mit einer Leuchtdiode
(LED). Durch Button klick schaltet man den Ausgang an oder aus. Die LED
leuchtet, wenn der Ausgang positive Spannung hat. Ist die LED umgekehrt
angeschlossen, leuchtet sie, wenn der Ausgang negative Spannung liefert.
Zur Programmierung der seriellen Schnittstelle wird die Funktionsbibliothek
RSLine32.DLL eingesetzt. Sie befindet sich im aktuellen Verzeichnis.
DLL : dynamic link library
Eine DLL ist aufgebaut wie eine Unit: Sie ist unabhängig von der verwendeten
Programmiersprache und wird erst bei Bedarf in den Speicher geladen. Greifen
mehrere Programme auf eine DLL zu, so ist diese nur 1 mal im Speicher
vorhanden. Eine Unit wäre dann öfters, d.h. für jedes Programm vorhanden.
-5Das Programm Ausgang_Eingang
function OPENCOM (A: Integer): Integer; stdcall; external 'Rsline32.DLL';
procedure RTS (An: Integer); stdcall; external 'Rsline32.DLL';
procedure DTR (An: Integer); stdcall; external 'Rsline32.DLL';
procedure TXD (An: Integer); stdcall; external 'Rsline32.DLL';
function CTS (): integer; stdcall; external 'Rsline32.DLL';
function DCD (): integer; stdcall; external 'Rsline32.DLL';
function DSR (): integer; stdcall; external 'Rsline32.DLL';
function RI (): integer; stdcall; external 'Rsline32.DLL';
implementation
{$R *.DFM}
procedure TForm1.FormCreate(Sender: TObject);
begin
if OPENCOM (1) = 0 then OPENCOM (2); // die COM-Schnittstelle wählen
DTR (0);
RTS (0); TXD (0);
// alle Ausgänge aus
end;
procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);
begin DTR (1); panel1.color:= clLime;
end;
// DTR an
procedure TForm1.Button2Click(Sender: TObject);
begin DTR (0); panel1.color:= clBtnFace; end;
// DTR aus
procedure TForm1.Button3Click(Sender: TObject);
begin RTS (1); panel2.color:= clLime;
end;
// RTS an
procedure TForm1.Button4Click(Sender: TObject);
begin RTS (0); panel2.color:= clBtnFace; end;
// RTS aus
procedure TForm1.Button5Click(Sender: TObject);
begin TXD (1); panel3.color:= clLime;
end;
// TXD an
procedure TForm1.Button6Click(Sender: TObject);
begin TXD (0); panel3.color:= clBtnFace; end;
// TXD aus
procedure TForm1.Timer1Timer(Sender: TObject);
begin
if CTS = 1 then panel4.color := clLime else panel4.color := clBtnFace;
if DCD = 1 then panel5.color := clLime else panel5.color := clBtnFace;
if DSR = 1 then panel6.color := clLime else panel6.color := clBtnFace;
if RI = 1 then panel7.color := clLime else panel7.color := clBtnFace;
if RXD = 1 then panel8.color := clLime else panel8.color := clBtnFace;
end;
procedure TForm1.FormClose(Sender: TObject; var Action: TCloseAction);
begin
DTR (0);
RTS (0); TXD (0);
// alle Ausgänge aus
end;
-6-
Halbleiter
Diode: Leuchtdiode, Fotodiode
Transistor
-7-
Blitzlicht
Ein Kondensator kann elektrische Ladung speichern und kurzzeitig als einen
stärkeren Strom abgeben.
Über das Programm (Ausgang-Eingang) schaltet man RTS an. Der Kondensator
wird aufgeladen. Schaltet man jetzt DTR ein, so entsteht ein kurzer Blitz. Der
Transistor wird schlagartig über die LED entladen.
DTR muß ausgeschaltet werden, bevor der Kondensator neu geladen wird.
Man schaltet RTS ein und wieder aus.
Der Kondensator ist jetzt geladen und behält seine Ladung mehrere Minuten
lang.
npn -Transistor BC 548
+
_
C
B
E
+
RTS
1k
LED
+
mü F
DTR
1k
GND
Programm Ausgang-Eingang verwenden
-8-
Die Register der RS232 Schnittstelle
Im Gerätemanager von WINDOWS findet man für die Schnittstelle COM1 die Angabe
Interrupt
: 04
E/A-Bereich : 03F8 ... 03FF
// 8 Werte
Datenbit
:8
Das heißt :
1) die Schnittstelle COM1 hat die Adresse 03F8,
2) die Schnittstelle hat 8 Register mit dem Offset 0 ... 7,
3) jedes Register ist 8 Bit breit.
Nach ihrer Funktion werden die Register verschieden benannt.
In den Registern haben die einzelnen Bits verschiedene Aufgaben: sie steuern die
Leitungen DTR, RTS, usw.
Sende-Halte-Register
Offset: 0
Bit Nr.
7
6
5
4
3
2
1
0
RTS
DTR
1
0
Interrupt-Freigabe-Register
Offset: 1
Interrupt-Erkennungs-Register
Offset: 2
Leitung-Steuer-Register
Offset: 3
TXD
Modem-Steuer-Register (Ausgang setzen)
Offset: 4
Leitungs-Status-Register
Offset: 5
Modem-Status-Register (Eingang lesen)
Offset: 6
DCD
RI
DSR
CTS
Bit Nr.
Offset: 7
7
6
5
4
3
2
-9-
Assembler-Programmierung
Man verbindet RTS und GND mit einer Leuchtdiode (LED). Mit dem Programm
(Ausgang_mit_ASM) schaltet man den Ausgang RTS ein oder aus. Das Programm ist
in Assembler geschrieben.
RTS
GND
Programm
Ausgang_mit_ASM
verwenden
procedure TForm1.FormCreate(Sender: TObject);
begin
if OPENCOM (1) = 0 then openCom (2);
DTR (0);
RTS (0); TXD (0);
// alle Ausgänge aus
end;
procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject); // RTS ein
begin
asm
push ax
// AX-Register vom Prozessor sichern
push DX
// DX-Register vom Prozessor sichern
mov DX, 03F8h +4
// die serielle Schnittstelle und das 4.Register auswählen
mov al, 2
// bin 0000.0010 ; RTS ist das 2. bit
out DX, al
// RTS einschalten
pop DX
// den Wert wieder herstellen
pop ax
end
end;
procedure TForm1.Button2Click(Sender: TObject); // RTS aus
begin
asm
push ax
push DX
mov DX, 03F8h +4
// die serielle Schnittstelle und das 4.Register
mov al, 0
// bin 0000.0000
out DX, al
// RTS ausschalten
pop DX
pop ax
end
end;
- 10 -
Ampelschaltung
Man baut die Schaltung nach Plan auf. Im Programm (Ampel) steuert ein timer
die Ausgänge der Schnittstelle und die Farben der 3 shape-Komponenten.
DTR
RTS
TXD
GND
Programm Ampel verwenden
procedure TForm1.FormCreate(Sender: TObject);
var i: byte;
begin
if OPENCOM (1) = 0 then openCom (2);
RTS (0);
TXD (0);
DTR (0);
oft:= 0;
end;
// alle Ausgänge aus
procedure TForm1.Timer1Timer(Sender: TObject);
begin
case oft of
0: begin
shape1.Brush.Color:=clred;
shape2.Brush.Color:=clgray;
shape3.Brush.Color:=clgray;
dtr(1);
rts(0);
txd(0);
inc(oft);
end;
1: begin
shape1.Brush.Color:=clred;
shape2.Brush.Color:=clyellow;
shape3.Brush.Color:=clgray;
dtr(1);
rts(1);
txd(0);
inc(oft);
end;
2: begin
shape1.Brush.Color:=clgray;
shape2.Brush.Color:=clgray;
shape3.Brush.Color:=cllime;
dtr(0);
rts(0);
txd(1);
oft:= 0;
end;
end; // of case
end;
- 11 -
Wechsel-Blinklicht
Man verbindet DTR und Masse (GND) mit zwei LEDs, wie in der Skizze
angegeben. Die LEDs sind verschieden gepolt eingesetzt, also leuchten sie
auch bei unterschiedlicher Stromrichtung. Das Programm (LED-Blinklicht)
schaltet DTR abwechselnd ein- und aus. Eine /Win32 /TrackBar regelt den
timer und so die Blinkfrequenz. Man kann das Blinken abschalten und neu
starten.
DTR
LED
LED
GND
Programm LED-Blinklicht verwenden
Eine TrackBar regelt das Timer-Intervall.
procedure TForm1.Timer1Timer(Sender: TObject);
begin
DTR (schalten);
// DTR ein
schalten:= not schalten and 1; // NOT schalten AND 1
end;
// var schalten: byte = 0 ;
// ist global definiert
invertiert den Wert
- 12 -
Zeitschaltung
Man baut eine einfache Zeitschaltuhr. Es wird die gewünschte Zeit eingeben
und die Uhr gestartet. Mit Ablauf der eingestellten Zeit geht die angeschlossene LED an.
DTR
LED
GND
Programm Zeituhr verwenden
procedure TForm1.FormCreate(Sender: TObject);
begin
if OPENCOM (1)= 0 then openCom (2);
DTR (0);
RTS (0);
TXD (0);
end;
procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject); // start
var zeit, zeit1: integer;
begin
DTR (0);
zeit := strToint (edit1.text);
// so lange ist die Wartezeit
zeit1:= GetTickCount ;
// Startzeit
repeat;
application.processMessages;
until (getTickCount -zeit1 > zeit );
DTR (1);
end;
procedure TForm1.FormClose(Sender: TObject; var Action: TCloseAction);
begin
DTR (0);
RTS (0);
TXD (0);
end;
- 13 -
Die Eingänge der RS232 Schnittstelle
CTS
DCD
DSR
RI
RXD
clear to send
data carrier detect
data set ready
ring indicator
receive data
Sendebereitschaft
Empfangssignalpegel
Betriebsbereitschaft
ankommender Ruf
Empfangsdaten
Alle Eingangsleitungen sind für Anschlußspannungen bis +/-12V ausgelegt und
für die direkte Verbindung mit den Ausgängen der RS232-Schnittstelle
vorgesehen.
Bei vielen Versuchen verbindet man daher eine Ausgangs- mit einer
Eingangsleitung und fragt ihren Zustand ab. Eine positive Spannung oberhalb
ca. 1,25 V wird als logische Eins erkannt. Eine Spannung unter ca. 1 V
erscheint als logische Null . Ein offener Eingang erscheint als Null.
Das Programm Ausgang-Eingang schaltet die Ausgangsleitung ein, und fragt
den Zustand der Eingangsleitung ab. Ist eine Ausgangsleitung über die Lampe
mit einer Eingangsleitung verbunden, so erscheinen beide Symbole grün.
RTS
LED
CTS
Programm Ausgang-Eingang verwenden
- 14 -
Berührungssensor
Die Leitung DTR hat Spannung. Über die Finger wird ein sehr schwacher Strom
von ca. 50 Mikroampere an die Basis weitergeleitet. Der Transistor schaltet
durch, er verstärkt den Strom und schaltet die Eingangsleitung DSR ein. Das
Signalplättchen wird grün gefärbt.
DTR
10 k
Finger
10 k
DSR
Programm Ausgang-Eingang verwenden
- 15 -
Lichtschranke 1, Zeit messen
Bei geringer Helligkeit ist der Widerstand der Fotodiode groß. Es fließt ein
schwacher Strom und die Eingangsleitung wird als (AUS) erkannt.
Bei großer Helligkeit ist der Widerstand der Fotodiode klein, es fließt ein
starker Strom und die Eingangsleitung wird als (EIN) erkannt.
Die Fotodiode dient als Eingabeelement. Der PC unterscheidet zwischen hell
und dunkel.
DTR
TXD
LED
CTS
Fotodiode
GND
Programm Lichtschranke verwenden
Aufgabe
1) Die Schaltung aufbauen und das Verhalten der Fotodiode überprüfen. Sie
arbeitet richtig, wenn das kurze Drahtstück am (+) Pol angeschlossen ist.
2) Zwischen Fotodiode und Lampe zieht man ein Blatt Papier vorbei. Das
Programm misst die Dunkelzeit. Aus der Zeit und der Blattgröße berechnet
man die Geschwindigkeit der Bewegung.
procedure TForm1.FormCreate(Sender: TObject);
begin
if OPENCOM (1) =0 then openCom (2);
DTR (0); RTS (0); TXD (0);
end;
procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);
begin
DTR (1);
// Ausgangsleitung (DTR an
TXD (1);
// Ausgangsleitung (TXD) an
zeit:= 0;
// eine globale Variable
end;
// Strom an
procedure TForm1.Button2Click(Sender: TObject);
begin
DTR (0); RTS (0); TXD (0);
end;
// Strom aus
procedure TForm1.Timer1Timer (Sender: TObject);
// timer-intervall = 1 ms
begin
if CTS = 0 then begin
// messen, wenn die Lichtschranke dunkel ist
inc (zeit);
panel1.caption := intTostr (zeit)+ ' ms';
end
else zeit:= 0;
end;
- 16 -
Lichtschranke 2,
Rolltreppe
+
DTR
100 k
BC 548
LED
(Motor)
Fotodiode
GND
Lampe
Programm Ausgang-Eingang verwenden
Unterbricht man den Lichtweg zwischen Lampe und Fotodiode, so leuchtet die
LED auf, bzw. der Motor läuft an. Diese Schaltung ist an Rolltreppen oder
automatischen Türöffnern zu finden.
Beachte: Die Fotodiode wird mit dem kurzen Draht an den (+) Pol
angeschlossen, die LED mit dem kurzen Draht an den (-) Pol.
- 17 -
Ladezeit für einen Kondensator
Man lädt ein Kondensator (47 µF) über einen Widerstand (1 k) auf. Die
Ladezeit hängt von der Kapazität des Kondensators und von der Größe des
Widerstand ab. Die Ladezeit wird vom Programm gemessen und auf der
grünen Schaltfläche angezeigt. Nach dem Ladevorgang wird die
Ausgangsleitung (DTR) auf NULL gesetzt und der Kondensator über die Diode
entladen.
Man wiederholt den Versuch mit einem Kondensator von (500 µF ).
+ 11 V
DTR
LED
1k
DSR
47 mü F
TXD
_
11 V
Programm Kondensator verwenden
procedure TForm1.FormCreate(Sender: TObject);
begin
if OPENCOM (1)= 0 then openCom (2);
DTR (0);
RTS (0);
TXD (0);
end;
procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);
// messen
var zeit1, zeit2: integer;
begin
DTR (1);
// Ausgang ein, Kondensator wird geladen
zeit1:= getTickCount;
While DSR =0 do begin
zeit2:= getTickCount;
end;
panel1.caption := intTostr (zeit2- zeit1)+ ' ms';
DTR (0);
// der Kondensator wird entladen
end;
procedure TForm1.Button2Click(Sender: TObject);
begin
panel1.caption:= ' ';
end;
- 18 -
Reaktionszeit
Messen der Reaktionszeit mit dem PC. Das Programm schaltet nach zufälliger
Wartezeit die LED ein. Man muß dann so schnell wie möglich den
angeschlossenen Tastschalter drücken. Die Reaktionszeit wird gemessen.
Typische Werte liegen bei 200 Millisekunden (200 ms = 0,2 s).
RTS
GND
DTR
DSR
Programm Reaktionszeit verwenden
procedure TForm1.FormCreate(Sender: TObject);
begin
if openCom (1) = 0 then openCom (2);
DTR (0); RTS (0); TD (0);
end;
procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);
// Start
var zeit1, zeit2, zufallZeit, warten: integer;
begin
panel1.caption:= ' ';
randomize;
ZufallZeit := (random (5)+1) * 1000; // werte von 1 bis 5 sek
zeit1:= getTickCount;
repeat
zeit2:= getTickCount;
until zeit2- zeit1 >= zufallZeit;
RTS (1);
// RTS ein, LED leuchtet
DTR (1);
// DTR ein, Leitung zum Taster
if DSR () = 0 then begin
zeit1:= getTickCount;
repeat
zeit2:= getTickCount;
until DSR () = 1;
warten := zeit2- zeit1;
end;
panel1.caption := intTostr (warten) + ' ms';
RTS (0); DTR (0);
// Leitung aus
end;
- 19 -
Aussagen-Logik
Programm Logik verwenden
A
0
1
0
1
Eingang
B
0
0
1
1
NOT (A)
1
0
1
0
(Not)
A AND B
0
0
0
1
logische Verknüpfung
NAND
A OR B
1
0
1
1
1
1
0
1
(Reihenschaltung)
NOR
1
0
0
0
EXOR
0
1
1
0
(Parallelschaltung)
Aufgabe
1) Man gibt in die Edit-Fenster Zahlenwerte ein und wählt eine logischen
Verknüpfung.
2) Bei <Start> wird das Ergebnis ausgegeben.
Methoden
logische (bitweise) Verknüpfung
procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);
var a, b, c: byte;
begin
A:= strToint (edit1.text);
B:= strToint (edit2.text);
case radioGroup1.Itemindex of
0: C:= not A AND 1;
// NOT
// NOT invertiert alle bits, es entsteht ein negativer Wert
// + 1 dazu addiert ergibt das logische NOT
1: C:= A AND B;
// AND
2: C:= not (A AND B) AND 1; // NAND
3: C:= A or B;
// OR
4: C:= not (A or B) AND 1;
// NOR
5: C:= A xor B;
// EXOR
end;
panel1.caption:= radioGroup1.items[radioGroup1.itemIndex];
edit3.text:= intTostr (C);
end;
end.
- 20 -
Gatter
+
A
1
Y
DTR
R1
NOT
BC548 (NPN)
RTS
(A)
R1= 10 k
U=11,5 V
n
p
n
R1
R1
LED
LED
R1
NOT (A)
Masse
Programm Ausgang-Eingang verwenden.
Aufgabe
1) DTR ist an und bildet die Stromversorgung für den Transistor.
2) Die Leitung RTS ein und ausschalten.
3) Der Ausgang Y zeigt entgegengesetzte Spannung wie DTR.
+
DTR
R1
A
&
AND /
NAND
B
BC548 (NPN)
LED
AND
NAND
RTS
(A)
R1= 10 k
U= 11,5 V
R1
AND
n
p
n
LED
R1
TXD
(B)
R1
n
p
n
R1
LED
LED
R1
Masse
Programm Ausgang-Eingang verwenden.
NAND
- 21 -
+
DTR
A
OR /
NOR
>
=1
B
BC548
(NPN)
R1= 10 k
U= 11,5 V
R1
OR
OR
LED
NOR
RTS
(A)
R1
n
p
n
LED
R1
TXD
(B)
R1
n
p
n
R1
LED
LED
R1
Masse
Programm Ausgang-Eingang verwenden.
NOR